一种基于Arena的水灾应急疏散仿真系统

作者；张毅

  全球气候变化日益加剧，主要表现在降水规律发生改变、飓风和热带风暴灾害发生频率及强度明显增加，给人类经济和社会带来不利影响。据《亚太统计年鉴》记载，亚太地区在2004至2013年期间因自然灾害而死亡的人数加快增长，在此期间，我国发生的自然灾害也多达285次，其中，各类水灾占自然灾害比例超过35%。水灾是自然灾害的一种，具有极强的破坏性，因此应急疏散预案特别重要，合理的方案往往能提高应急疏散的效率。

1疏散区域的人口和地理条件分析

    人口分布密度和地理位置是决定应急疏散效率的两个重要因素。

1.1永吉县口前镇的人口分布

    永吉县是吉林省吉林市的五个下辖县之一。位于东经125° 48'9”～126° 40'1”、北纬43° 18'7”～43° 35'00”之间。永吉县地处吉林省中东部，东与吉林市丰满区接壤，南与桦旬、磐石两市相邻，西和长春市双阳区隔饮马河相望，北与九台市、吉林市船营区及丰满区前二道乡毗连，距吉林市20公里。2010年，永吉县总面积2625平方公里，辖7镇、2乡、2个开发区，总人口42万人。口前镇是永吉县政府所在地，全县政治、经济、文化中心。位于县境东南部，面积266.86平方千米，常住人口76000人。

1.2永吉县口前镇地理条件分析

    当水灾发生时，在确定了灾害的范围之后，需要考虑疏散的范围。口前镇地形图如图1所示。根据口前镇的地形，疏散终点选在城北公园，地域比较宽阔，且是高地。虽然东部丘陵和山地也是可供选择区域，但由于东部丘陵、山地植被破坏严重，出现大面积的泥石流，无法作为疏散目的地。

1.3应急疏散路径的选择

    在应急疏散的过程中，出口和路线的选择是决定成功疏散的重要因素。

    应急疏散道路选择应遵循以下原则：疏散车辆安全行驶原则，疏散时间最短原则，选择交通状况良好的道路（包括交通现状、路面状况、道路等级、有无路肩等），选择交通控制条件良好的原则（包括指示指路标志、信号控制情况等）。

    选择疏散道路，是指选择最优路径，所以在疏散路径选择中优化模型的应用最为广泛。常见的最优疏散路径主要有三类：一是最短空间距离，二是疏散花费时间最短，三是可以疏散的人数最多。在疏散道路的研究中，本文以疏散完成所需时间最短作为主要的优化目标。

    在应急疏散的情况，应急疏散道路的通行能力是最重要的一环。道路最大通行能力决定疏散效率高低，也是选择一条最佳疏散路线的重要指标之一，因此道路的通行能力可以左右一次灾难的财产损失和人员伤亡的数量。

    应急疏散与正常交通流分布规律不同，其通行能力也与正常交通有所不同，我们难以获取实时道路的情况，因此需要在正常道路通行能力的基础上加以修正，比如乘以一定的修正系数等方法，来得到较准确的应急疏散道路的通行能力，用以下公式表示：

式中CP：单向通行能力；C:道路基本交通能力；N:单向车道数；fw：车道宽度修正系数；fD：驾驶员修正系数（取0.9）；fc：车辆拥堵修正系数（取0.2～1.0）；fp：人、非机动车、摩托车干扰修正系数(取0.6~0.9)。

2道路应急疏散仿真

    根据前面的理论分析，对永吉县口前镇的人员疏散进行仿真分析。从街道的规划可以看出（见图2），疏散区域分成5个区域。假设西北方的区域为5区，东北区作为4区，东南和西南的人口聚居较多，分成三个区域，分别为1区、2区、3区。水灾预警发布后，选择上述区域作为疏散集聚点，选择该区域的主要道路网络作为疏散网。城北公园（P区域）的地势较高，且有足够的空间可作为避灾点。其中区域5靠近避难点，所以假设5区的人口在收到警报后自行撤离这部分人将是最优先到达避难点。

    根据调查，拥有约3000辆私家车。出于人的心理因素作用，在群众收到警报消息后都会有一部分人进行自行疏散撤离，所以这里假设私家车可以前期自行疏散。受灾人口中，三层楼以上不在疏散之列，剩余待疏散人口约有24000人，分布在1～4区域，这四个区域的人口数比例为2:4:3:1。假设自行的疏散人群外，考虑到派出公交车救援。安全点设置在城北公园的救援站，公交车从安全点出发。在疏散仿真过程中，交通管制所有路线都为单向行道，行人和行程都为理想状况，救援车辆按照固定路线进行援救。疏散开始救援车和私家车同向运行，救援派车路线和疏散回程路线不同，但是私家车疏散的路线和救援车疏散路线相同。

2.1  自定义模型参数

    首先介绍仿真模型中用到的一些模块及重要参数的输入。

    (1) Entity（实体）

    实体是仿真模型中的动态物体，是仿真模型中各个模块的处理对象，这里的实体表示的是救援的车辆。

    (2) Create（产生）模块

    流程的开始，实体从该模块进入仿真过程。Create模块在仿真模型产生救援车辆的达到情况。在仿真模型中，车辆的到达符合三角形分布。具体的定义如图3所示。

    (3) Assign（分派）模块

    Assign模块在这里的主要功能就是对各条救援路线车辆的分配比例、定义站点的类型，并改变一些参数的值（在仿真过程中），例如实体的类型或仿真变量。具体的定义如图4所示。

    (4) Leave模块

    Leave模块可用来占用运送资源并运送实体。Leave lock指的通过车辆疏散人员，在这个模块里运输工具选择的是车辆，首先进入主站后（城北公园）分配到四个线路上到达人员的聚集地接送人员，按相应的路线返回避难点。具体的定义如图5所示。

    (5) Enter（站点）模块

    在这个模型中间一共有9个Enter模块。Enter模块用于释放运送资源，并提供了卸载延时的选项，车辆到达制定的四个区域接送人员。具体的定义如图6所示。

1. Process（处理）模块

Process模块在仿真模型中表示完成某一特定任务的某一作业单位。这个模块表示聚集的人员上车的时间延迟。具体的定义如图7所示。

    (7) decide模块

    用来判断程序的结束，当所有的人员疏散后，程序终止。

    (8) Dispose（除去）模块

    该模块表示实体离开仿真模型，用Arena仿真软件建立的仿真模型必须以Create模块开始，以Dispose模块结束。

2.2仿真建模

    在安全设置点出发的公交车由Create模块设置，由Assign模块设置系统模拟的时间、车辆到各个区分分配数量、分配站点的属性。在Leave Dock模块中的设定车辆的运行方式及在初始站点到各个救援区的数量分配的定额。在Leave Dock模块中开始分配路线，由4个enter模块进入四个分区的救援点，用4个process表示在4个区域人群上车的等待时间，最后由4个leave模块按预定的路线到达南山街指定的位置。若车辆足够满足一次性救援，仿真执行一次即可。本次仿真的设定的车辆不足以一次救援，在有限的车辆内，以最短的疏散时间为目标，车辆在救援间反复的运行，直至把所有人群疏散完毕。仿真模型如图8所示。

救援疏散流程如下。

1区疏散点：公交车从城北公园的永吉大街出发往南直行到达疏散点。在疏散点等待上车，然后从按原路返回安全点。

    2区疏散点：公交车从城北公园的永吉大街出发南走，进入吉桦路右转进入兴华街，在进入兴华路与大众街交汇处到达疏散点，在疏散点等待上车，从大众街左转进去永杰大街北走进入城北公园返回安全点。

    3区疏散点：公交车从城北公园的永吉大街出发南走，进入连山路左转，走至连山桥左转进入连山路与河东街交汇处进入疏散点，在疏散点等待上车，河东街与吉桦路交汇处左转进入永吉大街北走到达安全点。

    4区疏散点：公交车从城北公园的永吉大街出发南走，进入与吉桦路交汇处左转至清泉街的疏散点，在疏散点等待上车，按原路返回安全点。疏散仿真运行状态如图9所示。

    用Arena软件对突发水灾人群疏散进行仿真，根据道路通行能力，设运行时速60km/h、40km/h、30km/h，结果如图10～12所示。

    结果显示，三种运行速度下运行总平均时间分别为73.11分钟、101.08分钟、175.75分钟。所以，缩短运行时间必须保障道路通行能力，保障运行速度。

3结论

本文根据永吉县口前镇的人口疏散分析实际的过程，运用Arena软件在系统中设定参数，构建相应的Arena仿真模型，对吉林市永吉县水灾应急疏散进行仿真模拟。仿真结果表明，在道路通行能力有保障的情况下，疏散时间主要由行驶车速来决定，为应急疏散方案的设置提供合理依据。

4【摘要】本文通过永吉县口前镇为例，分析永吉县的应急疏散预案，找出应急疏散过程中的影响因素及确定合理的疏散路径。通过ARENA软件建立应急仿真模型，为应急疏散方案的设置提供一个合理的依据。